核磁共振基本原理及实现方法-PPT课件.ppt
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1、,1945年,E. M. Purcell 和 F. Block 分别发现了水和石蜡中氢核的核磁共振现象。 化合物中原子产生的核磁共振信号与其分子结构密切相关。由有机化合物的核磁共振谱图,可获得相关原子在分子中所处化学环境的信息,因此可以确定化合物的分子结构。,4.1.1 原子核的自旋和磁矩 atomi nuclear spin,若原子核存在自旋运动,便会产生核磁矩和自旋角动量:,自旋量子数(I)可以为 0、整数、半整数。 I 0 的核,p0,无自旋运动。 I 不为零的核都具有核磁矩和自旋角动量。,(1) I = 0 的原子核 : 16 O、 12 C、 22 S .等 ,无自旋,没有核磁矩,不
2、 产生共振吸收。 (2) I 1/ 2 的原子核: I = 1 : 2H, 14N I = 3/2: 11B,35Cl,79Br,81Br I = 5/2: 17O,127I.,这类原子核可看作电荷在核表面非均匀分布的旋转椭球体,其电四极矩不为零,共振吸收复杂,谱线较宽,不利于NMR测量,研究应用较少。,(3) 1/ 2 的原子核 : 1H,13C,19F,31P . 等。 这类原子核可看作核电荷均匀分布于球面的旋转球体,并象陀螺一样自旋,有自旋磁矩产生,其电四极矩为零,NMR谱线较窄,适宜于NMR测量,是核磁共振研究的主要对象。 C、H 也是有机化合物的主要组成元素。, 0 的核有自旋运动,
3、其核磁矩与自旋角动量P 的关系为: P 式中, 为磁旋比,是核的特征常数,其单位为: rad .T-1.s-1 1H 核的 26.752107rad .T-1.s-1. 13C 核的 6.728107rad .T-1.s-1 .,4.1.2 核在外磁场中的自旋取向, 0 的核叫磁性核。 磁性核在外磁场中会发生自旋能级的裂分,产生不同的自旋取向。 共有 21 种量子化的自旋取向。 每一种取向都代表了原子核的某一特定的自旋能量状态,可用磁量子数 m 来表示之。,磁量子数 m 的取值为: m ,1,2,.(1), 。 例如, 1H 核 : 1/ 2 ,故 m1/ 2,1/ 2 。 14N 核 : 1
4、,故 m 1, 0 ,1 。 33S 核 : 3/ 2,故 m ,在外磁场B0中,氢核的自旋能级产生两种自旋取向: (1) 与外磁场平行,能量低,磁量子数 1/ 2 ; (2) 与外磁场相反,能量高,磁量子数 1/ 2 。,1H,14N,核自旋角动量在Z 轴上的投影 PZ为 : PZ hm / 2 核磁矩在Z 轴上的投影 Z为 : Z PZ hm / 2 在外磁场B0中,核磁矩与B0相互作用,使核磁矩具有一定的能量: EZ B0 对于1/ 2 核 : m1/ 2 时, E(1/2) ZB0hm / 2hB0 / 4 m1/ 2 时, E(1/2) ZB0hm / 2 hB0 / 4 此二能级的
5、能量差 E E(1/2) E(1/2) hB0 / 2,E hB0 / 2表明,在外磁场 B0 中,核自旋能级裂分后的能级差随着 B0 强度的增大而增大,如下图所示。,4.1.3 核的回旋,将自旋核置于一均匀外磁场 B0 中,若 B0 与核磁矩成一夹角,这时,外磁场将产生一个力矩作用于自旋核,迫使其取向于B0 ,从而产生绕自旋轴旋转的同时,绕 B0 进行回旋的运动 拉摩尔进动。,核的回旋角频率为: 2v0B0 式中,v0为核的回旋频率。v0 B0/ 2,4.1.4 核磁共振 在与外磁场B0 垂直的方向上施加一个频率为 v 的交变射频场B1,当 v 与核的回旋 v0 相等时,自旋核能够吸收射频场
6、的能量,由低能级的自旋状态跃迁至高能级的自旋状态,产生自旋的倒转和共振吸收信号,这种现象叫核磁共振。 即有: 射频频率 v v0B0/ 2 此时,射频 v 所具有的能量hv正好核在B0中产生的核自旋能级差相等。即: hv E hB0/ 2h v0,v v0B0/ 2,对于同一种核,为一常数,故当B0增大时,其共振频率也要相应增加。 例如,当B01.4 T 时, 1H 的共振频率为 60 MHZ。 而当B02.3 T 时, 1H 的共振频率为 100 MHZ。 对于不同种类的核,其不同,因此,当B0相同时,它们的共振频率各不相同。 例如,当B02.3 T时,1H 核的共振频率为 100 MHZ,
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